Linux内核设计与实现 - 第11章 定时器和时间管理

11.1 内核中的时间概念

1. 墙上时间(Wall Time)

   • 实际日期和时间
   • 通过RTC(实时时钟)获取
   • 用户空间通过time()/gettimeofday()获取

2. 系统运行时间(Uptime)

   • 自系统启动以来的时间
   • 不受系统时间修改影响
   • 通过/proc/uptime查看

3. 单调时间(Monotonic Time)

   • 保证单向递增的时间
   • 不受NTP调整影响
   • 适合测量时间间隔

11.2 硬件时钟源

1. RTC(实时时钟)

   • 独立供电的硬件时钟
   • 精度较低(秒级)
   • 提供系统初始时间

2. TSC(时间戳计数器)

   • CPU内部64位寄存器
   • 高精度(纳秒级)
   • 受CPU频率变化影响

3. HPET(高精度事件定时器)

   • 专门的时间计数硬件
   • 精度可达100纳秒
   • 支持多个比较器

11.3 jiffies和HZ

1. jiffies机制

   • 全局变量jiffies
   • 记录自启动以来的时钟滴答数
   • 32位系统使用jiffies_64避免回绕

2. HZ参数

   • 定义每秒时钟中断次数
   • 典型值：100, 250, 300, 1000
   • 高HZ值提高响应速度但增加开销

3. 时间转换函数

   jiffies_to_msecs(unsigned long j);  // jiffies转毫秒
   msecs_to_jiffies(unsigned int m);   // 毫秒转jiffies
   

11.4 定时器实现

1. 定时器结构

   struct timer_list {struct list_head entry;unsigned long expires;void (*function)(unsigned long);unsigned long data;...
   };
   

2. 定时器API

   init_timer(struct timer_list *timer);  // 初始化定时器
   add_timer(struct timer_list *timer);   // 激活定时器
   mod_timer(struct timer_list *timer, unsigned long expires); // 修改定时器
   del_timer(struct timer_list *timer);   // 删除定时器
   

3. 实现注意事项

   • 定时器函数在中断上下文执行
   • 不能睡眠或调用可能阻塞的函数
   • 需要处理竞争条件

11.5 高精度定时器(hrtimer)

1. hrtimer特点

   • 纳秒级精度
   • 基于红黑树实现
   • 支持多种时钟源

2. hrtimer API

   hrtimer_init(struct hrtimer *timer, clockid_t which_clock, enum hrtimer_mode mode);
   hrtimer_start(struct hrtimer *timer, ktime_t tim, const enum hrtimer_mode mode);
   hrtimer_cancel(struct hrtimer *timer);
   

3. 使用场景

   • 多媒体应用
   • 实时系统
   • 性能分析工具

11.6 延迟执行机制

1. 忙等待

   udelay(unsigned long usecs);  // 微秒级延迟
   ndelay(unsigned long nsecs); // 纳秒级延迟
   

2. 调度延迟

   msleep(unsigned int msecs);     // 毫秒级睡眠
   ssleep(unsigned int seconds);   // 秒级睡眠
   

3. 工作队列延迟

   schedule_delayed_work(struct delayed_work *dwork, unsigned long delay);
   

11.7 时间管理实践

1. 性能测量

   ktime_get();      // 获取当前时间
   ktime_sub(a, b);  // 计算时间差
   

2. 超时处理

   wait_event_timeout(wq, condition, timeout);
   

3. 节流控制

   unsigned long usecs_to_jiffies(const unsigned int u);